摘 要： 提出了一種驅動線陣CCD工作的方法，給出了PWM模式的工作原理。采用單片機ATmega16的CTC模式及相位和頻率修正PWM模式產生CCD工作所需要的信號，電路簡單，易于調試。
關鍵詞： CCD； ATmega16； 頻率和相位修正； CTC； 驅動電路
CCD是一種固體成像器件[1]，應用廣泛。CCD工作需要多路脈沖驅動，并且各路脈沖在時序上要嚴格對應。對于CCD時序的設計，通常采用CPLD和FPGA技術，CPLD在低頻CCD時序設計中使用[2-4]，FPGA則用在更為復雜的時序設計中[5]。對于驅動比較簡單的線陣CCD沒有必要用這種成本比較高的電路。本文針對東芝公司的線陣CCD芯片TCD1304設計了基于單片機ATmega16的驅動電路。采用ATmega16的定時器/計數器timer0的CTC(比較匹配時清零定時器)模式和timer1的相位與頻率修正PWM模式產生所需要的基本波形，可通過修改單片機程序中的參數來改變輸出波形的頻率和占空比，使得波形調整便捷。
1 ATmega16的CTC模式及相位與頻率修正PWM模式
ATmega16的timer0的CTC模式可通過令控制寄存器TCCR0的WGM01=1和WGM00=0來設定。寄存器OCR0用于調節計數器的分辨率，當計數器的數值TCNT0等于OCR0中的值時計數器清零，即OCR0定義了計數器的TOP值，亦即分辨率。這個模式使得用戶可以很容易地控制比較匹配輸出的頻率。CTC模式的時序圖如圖1所示。計數器數值TCNT0一直累加到TCNT0與OCR0匹配，然后TCNT0清零。
為了在CTC模式下得到波形輸出，可以設置輸出腳OC0在每次比較匹配發生時改變邏輯電平，這可以通過設置COM01:0=1來完成。在期望獲得OC0輸出之前，首先要將其端口設置為輸出。波形發生器能夠產生的最大頻率由公式fOC0=fclk_I/O/2·N·(1+OCR0)來確定，變量N代表預分頻因子(1、8、64或1 024)。
ATmega16的timer1的相位與頻率修正模式可通過令控制寄存器TCCR1A和TCCR1B中的WGM13:0=8或9來設定。該種模式可以產生高精度的、相位與頻率都準確的PWM波形，其工作時序圖如圖2所示。這是一種雙斜坡操作的模式，計數器重復地從BOTTOM計數到TOP，然后又從TOP倒退回到BOTTOM。TOP的值可由ICR1(WGM13:0=8)或OCR1A(WGM13:0=9)來確定。在一般比較輸出模式下，當TCNT1向TOP計數時，若TCNT1與OCR1A相匹配，輸出腳OC1A(B)清零，并置為低電平；當TCNT1向BOTTOM計數時，若TCNT1與OCR1A相匹配時，輸出腳OC1A(B)置為高電平，工作于反向輸出比較時正好相反。輸出的PWM波形的頻率由公式fOC1A(B)=fclk_I/O/2·N·TOP來確定，變量N代表預分頻因子(1、8、64或1 024)。通過改變ICR1及OCR1A兩個寄存器的值就可完成PWM波形占空比的調整。
2 線陣圖像傳感器TCD1304的時序分析
CCD芯片TCD1304是一款高靈敏度、低暗電流的線陣圖像傳感器，其光電靈敏度的典型值可達到160 V/lx.s，可用于條碼掃描、光譜測量等場合。TCD1304有兩種工作方式：普通工作方式和電子快門工作方式，圖3為在普通工作方式下的時序圖。
TCD1304工作時需要SH、ICG和ФM 3路驅動信號。SH的周期表示光信號積累時間，即積分時間，ICG和SH是同步的，ФM是主脈沖，其典型值為2 MHz。OS表示信號輸出，每4個ФM脈沖周期對應1位信號周期。可以看出，TCD1304工作時需要的驅動信號比較簡單，完全可以用ATmega16來產生。
3 電路設計及實驗結果
3.1 電路設計
基于ATmega16的TCD1304的驅動電路如圖4所示。
使用ATmega16的timer0的CTC工作模式產生2 MHz的方波，并由輸出腳OC0輸出，然后經過施密特反向器整形后輸出作為ФM(即圖4中的FM)；使用timer1的相位與頻率修正PWM模式產生一定周期的波形，由OC1A腳輸出,同樣經過施密特反向器整形后輸出作為ICG；將ICG波形經過延時和變窄處理后得到SH信號。圖4中還給出了ATmega16的復位電路。單片機工作時使用系統內部時鐘8MHz，timer1采用8分頻(即1 MHz)作為時鐘輸入。部分的單片機程序如下：
初始化部分：
LDI TEMP, $00
OUT TCCR0, TEMP
OUT TCNT0, TEMP
OUT TCNT1L, TEMP
OUT TCNT1H, TEMP
OUT TIMSK, TEMP
設置timer1和timer0的相關寄存器：
LDI TEMP, $80
OUT TCCR1A, TEMP
LDI TEMP, $00
OUT OCR1AH, TEMP
LDI TEMP, $04
OUT OCR1AL, TEMP
LDI TEMP, $0e
OUT ICR1H, TEMP
LDI TEMP, $74；
OUT ICR1L, TEMP
LDI TEMP, $02；
OUT OCR0, TEMP
啟動輸出：
LDI TEMP, $71
OUT TCCR0, TEMP
NOP
LDI TEMP, $12
OUT TCCR1B, TEMP
在程序中，由輸出腳OC0輸出的是2 MHz方波，通過寄存器OCR0和TCCR0來確定。輸出腳OC1A輸出的波形周期為T=7.4 ms（ICR1·2·1 μs），對應CCD的最短積分時間。改變timer1的寄存器的設置就可以調整積分時間。
3.2 實驗結果
用示波器測量圖4所示電路產生的SH和ICG波形如圖5所示。通道1為SH波形，通道2為ICG波形，SH的高電平相對于ICG的低電平有一定的延時且寬度較窄。圖6為ICG和ФM的波形圖，通道1為ICG波形，圖中顯示出了上升沿部分，通道2為ФM波形。CCD的輸出信號波形和ICG如圖7所示，通道1為ICG波形，通道2為CCD波形。
基于單片機ATmega16的CTC模式和相位與頻率修正的PWM工作模式，設計了CCD時序驅動電路，結構簡單，調試方便。另外兩種工作模式只使用了單片機很少一部分資源，后續的CCD信號處理部分(模數轉換、數據存儲等)可以充分利用單片機的現有資源。
參考文獻
[1] 王慶有，王晉疆，張存林,等. 光電技術[M]. 北京：電子工業出版社，2008.
[2] 許秀貞，李自田. 基于CPLD的可選輸出CCD驅動時序設計[J]. 光子學報，2004，33(12)：1504-1507.
[3] 冉曉強，汶德勝. 基于CPLD的空間面陣CCD相機驅動時序發生器的設計與硬件實現[J]. 光子學報，2007，36(2)：364-367.
[4] 谷林，胡曉東，羅長州. 基于CPLD的線陣CCD光積分時間的自適應調節[J]. 光子學報，2003，31(12)：1533-1537.
[5] 周建康，陳新華，周望，等.積分時間可調的CCD相機驅動時序設計與實現[J]. 光子學報，2008，37(11)：2300-2304.